電力電纜在線監(jiān)測

1、電力電纜在線監(jiān)測電力電纜在線監(jiān)測Power cable on-line monitoring 什么是電力電纜？什么是電力電纜？架空線架空線電力電纜電力電纜電力傳輸通道電力傳輸通道電力電纜的使用至今已有百余年歷史。電力電纜的使用至今已有百余年歷史。1879年年 愛迪生首次使用電纜實(shí)現(xiàn)地下輸電。愛迪生首次使用電纜實(shí)現(xiàn)地下輸電。1911年年 德國敷設(shè)德國敷設(shè)60kV高壓電纜。高壓電纜。1913年年 霍希施泰特研制成分相屏蔽電纜?；粝Ｊ┨┨匮兄瞥煞窒嗥帘坞娎|。1981年年 研制成研制成1000kV的特高壓電力電纜。的特高壓電力電纜。 為什么使用電纜？為什么使用電纜？輸電通道小輸電通道小不受環(huán)境污染影響

2、不受環(huán)境污染影響可靠性高可靠性高對人身及周圍環(huán)境干擾小對人身及周圍環(huán)境干擾小特殊應(yīng)用環(huán)境特殊應(yīng)用環(huán)境使用電纜的優(yōu)點(diǎn)使用電纜的優(yōu)點(diǎn)制造工藝復(fù)雜制造工藝復(fù)雜造價(jià)高造價(jià)高施工維修麻煩施工維修麻煩使用電纜的缺點(diǎn)使用電纜的缺點(diǎn)電纜的種類電纜的種類油紙絕緣電纜油紙絕緣電纜氣體絕緣電纜氣體絕緣電纜塑料絕緣電纜塑料絕緣電纜聚氯乙烯電纜聚氯乙烯電纜聚乙烯電纜聚乙烯電纜XLPE（交聯(lián)聚乙烯電纜）（交聯(lián)聚乙烯電纜）塑料絕緣電纜塑料絕緣電纜交聯(lián)聚乙烯電纜交聯(lián)聚乙烯電纜 XLPE， cross linked polyethylene 30余年歷史余年歷史 性能優(yōu)良、工藝簡單、安裝方便性能優(yōu)良、工藝簡單、安裝方便 得到廣

3、泛應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用XLIE電纜的基本結(jié)構(gòu)電纜的基本結(jié)構(gòu)交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜結(jié)構(gòu)示意圖交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜結(jié)構(gòu)示意圖1、導(dǎo)體、導(dǎo)體 2、導(dǎo)體屏蔽、導(dǎo)體屏蔽 3、交聯(lián)聚乙烯絕緣、交聯(lián)聚乙烯絕緣 4、絕緣屏蔽、絕緣屏蔽 5、金屬屏蔽、金屬屏蔽 6、填充、填充 7、內(nèi)襯層、內(nèi)襯層 8、鎧裝層、鎧裝層 9、外護(hù)套、外護(hù)套n 導(dǎo)電線芯：高導(dǎo)電率材料，絞線承圓形或扇形截導(dǎo)電線芯：高導(dǎo)電率材料，絞線承圓形或扇形截面。面。n 絕緣層：高電阻率材料，絕緣層：高電阻率材料，tg 、 低而電氣強(qiáng)度低而電氣強(qiáng)度Eb高的油浸紙、橡皮或塑料。高的油浸紙、橡皮或塑料。n 密封護(hù)套：保護(hù)絕緣線芯免受機(jī)械、水分、化學(xué)密封護(hù)套：保護(hù)絕

4、緣線芯免受機(jī)械、水分、化學(xué)等的損傷，有時(shí)外部還有保護(hù)覆蓋層。等的損傷，有時(shí)外部還有保護(hù)覆蓋層。n 半導(dǎo)體層的作用：均勻電場，它可以克服電暈及半導(dǎo)體層的作用：均勻電場，它可以克服電暈及游離放電，使芯線與絕緣層之間有良好的過渡。游離放電，使芯線與絕緣層之間有良好的過渡。固體電介質(zhì)樹枝化劣化固體電介質(zhì)樹枝化劣化 在高電場強(qiáng)度作用下，固體介質(zhì)內(nèi)常出現(xiàn)樹枝狀在高電場強(qiáng)度作用下，固體介質(zhì)內(nèi)常出現(xiàn)樹枝狀局部損壞。在電場的持續(xù)作用下，這些樹枝狀微通道局部損壞。在電場的持續(xù)作用下，這些樹枝狀微通道就可能沿電場方向貫穿整個(gè)絕緣，導(dǎo)致?lián)舸?。所以樹就可能沿電場方向貫穿整個(gè)絕緣，導(dǎo)致?lián)舸?。所以樹枝現(xiàn)象也是預(yù)擊穿現(xiàn)象。枝

5、現(xiàn)象也是預(yù)擊穿現(xiàn)象。電樹枝電樹枝水樹枝水樹枝1. 電樹枝電樹枝 電極尖端處或微小空氣隙、雜質(zhì)等處電場較強(qiáng)，電極尖端處或微小空氣隙、雜質(zhì)等處電場較強(qiáng)，發(fā)生的放電逐漸發(fā)展，形成較細(xì)的溝狀放電通道的發(fā)生的放電逐漸發(fā)展，形成較細(xì)的溝狀放電通道的碳化痕跡。碳化痕跡。電樹枝通常籠廓電樹枝通?；\廓較清晰較清晰2. 水樹枝水樹枝水樹枝通?；\廓水樹枝通常籠廓較模糊較模糊水浸入絕緣層，在電場作用下形成的樹枝狀物。水浸入絕緣層，在電場作用下形成的樹枝狀物。 制造過程中殘留在絕緣中的微水。制造過程中殘留在絕緣中的微水。 運(yùn)行中因機(jī)械損傷水分逐漸侵入。運(yùn)行中因機(jī)械損傷水分逐漸侵入。 電場長期作用下絕緣中形成由微小的水滴

6、及連電場長期作用下絕緣中形成由微小的水滴及連接它們的水絲組成的水樹枝。接它們的水絲組成的水樹枝。l 電場電場l 水份水份l 環(huán)境因素環(huán)境因素l 時(shí)間時(shí)間 半導(dǎo)體層半導(dǎo)體層絕緣層絕緣層內(nèi)部半導(dǎo)體層內(nèi)部半導(dǎo)體層電纜芯電纜芯“殘留水樹殘留水樹“外部浸入水樹外部浸入水樹導(dǎo)致水樹發(fā)展的條件導(dǎo)致水樹發(fā)展的條件n 水樹一般在電氣強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域得到進(jìn)一步的水樹一般在電氣強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域得到進(jìn)一步的發(fā)展發(fā)展n 水樹的老化過程通常較緩慢。水樹的老化過程通常較緩慢。n 水樹是交聯(lián)聚乙烯電纜事故的主要原因，約占水樹是交聯(lián)聚乙烯電纜事故的主要原因，約占事故的事故的71%，多發(fā)生于自然劣化。，多發(fā)生于自然劣化。n水樹枝一般

7、是從內(nèi)半導(dǎo)電層、屏蔽層與絕緣層水樹枝一般是從內(nèi)半導(dǎo)電層、屏蔽層與絕緣層界面上引發(fā)出來。若絕緣體內(nèi)存有氣隙或雜質(zhì)，界面上引發(fā)出來。若絕緣體內(nèi)存有氣隙或雜質(zhì)，則會在電場方向產(chǎn)生并加劇蝶形領(lǐng)結(jié)狀水樹枝。則會在電場方向產(chǎn)生并加劇蝶形領(lǐng)結(jié)狀水樹枝。這些水樹枝不僅受電纜結(jié)構(gòu)的影響，而且還受這些水樹枝不僅受電纜結(jié)構(gòu)的影響，而且還受半導(dǎo)作層性能和形狀、含水率、電壓等級、電半導(dǎo)作層性能和形狀、含水率、電壓等級、電纜芯溫度以及浸水條件等因素的影響。纜芯溫度以及浸水條件等因素的影響。 n水樹枝延伸最主要的條件是高溫和浸水，有時(shí)水樹枝延伸最主要的條件是高溫和浸水，有時(shí)水樹枝的長度可以達(dá)到絕緣厚度的一半以上。水樹枝的長

8、度可以達(dá)到絕緣厚度的一半以上。 水樹枝延伸的時(shí)間特性水樹枝延伸的時(shí)間特性3 6 kV級級XLPE電纜交流擊穿場強(qiáng)電纜交流擊穿場強(qiáng)與水樹長度的關(guān)系與水樹長度的關(guān)系水樹引起的絕緣故障發(fā)展過程水樹引起的絕緣故障發(fā)展過程 水樹枝具有消失和重現(xiàn)的特點(diǎn)，有的水樹枝受水樹枝具有消失和重現(xiàn)的特點(diǎn)，有的水樹枝受熱、干燥、抽真空后會消失形態(tài)，浸入熱水中又會熱、干燥、抽真空后會消失形態(tài)，浸入熱水中又會重現(xiàn)。水樹枝不會直接導(dǎo)致?lián)舸?，但會使絕緣強(qiáng)度重現(xiàn)。水樹枝不會直接導(dǎo)致?lián)舸?，但會使絕緣強(qiáng)度降低，促進(jìn)老化作用，縮短壽命。長期逐步發(fā)展最降低，促進(jìn)老化作用，縮短壽命。長期逐步發(fā)展最終將導(dǎo)致絕緣損壞終將導(dǎo)致絕緣損壞.根據(jù)現(xiàn)場

9、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水樹枝劣化特性如下：根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水樹枝劣化特性如下：（l）僅發(fā)生在）僅發(fā)生在6kV以上的高壓交聯(lián)聚乙烯電纜中。以上的高壓交聯(lián)聚乙烯電纜中。（2）從投運(yùn)到破壞的時(shí)間需要數(shù)年至十幾年，大多）從投運(yùn)到破壞的時(shí)間需要數(shù)年至十幾年，大多數(shù)在數(shù)在10年以上。年以上。（3）貫通絕緣體的水樹枝狀劣化，大部分能維持正）貫通絕緣體的水樹枝狀劣化，大部分能維持正常工作電壓以上的電壓值，只有在發(fā)生脈沖電壓等常工作電壓以上的電壓值，只有在發(fā)生脈沖電壓等異常電壓時(shí)才產(chǎn)生破壞。異常電壓時(shí)才產(chǎn)生破壞。（4）環(huán)境溫度高時(shí)，劣化進(jìn)程加快。）環(huán)境溫度高時(shí)，劣化進(jìn)程加快。 因此對電力電纜絕緣本體進(jìn)行故障監(jiān)測是可行因此

10、對電力電纜絕緣本體進(jìn)行故障監(jiān)測是可行的，也是必要的。的，也是必要的。 電力電纜監(jiān)測和診斷方法電力電纜監(jiān)測和診斷方法 直流法直流法 工頻法工頻法 低頻法低頻法 復(fù)合判斷法復(fù)合判斷法直流法直流法 直流成分電流監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測 直流疊加法直流疊加法 直流電橋法直流電橋法直流直流成分法成分法機(jī)理機(jī)理 電纜中存在水樹時(shí)，類似尖電纜中存在水樹時(shí)，類似尖 板電極具有整流作用板電極具有整流作用。因此因此在工作電壓下，電纜絕緣中將流過微小的直流電流。根據(jù)這在工作電壓下，電纜絕緣中將流過微小的直流電流。根據(jù)這一電流的數(shù)值，既可判斷電纜中水樹的發(fā)展?fàn)顩r。一電流的數(shù)值，既可判斷電纜中水樹的發(fā)展?fàn)顩r。直流成分電流監(jiān)

11、測直流成分電流監(jiān)測 TR 配電變壓器配電變壓器 GPT 接地保護(hù)用接地保護(hù)用 電壓互感器電壓互感器 M 直流微電流直流微電流 檢測裝置檢測裝置 (nA級級)回路中流通微弱的直流成分電流回路中流通微弱的直流成分電流直流直流成分電流監(jiān)測原理接線成分電流監(jiān)測原理接線直流成分電流監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測 微電流測量裝置微電流測量裝置 微電流測量儀微電流測量儀 低通濾波器低通濾波器 衰減交流成分、檢出直流成分衰減交流成分、檢出直流成分 接地保護(hù)裝置接地保護(hù)裝置 保證試驗(yàn)人員和裝置的安全保證試驗(yàn)人員和裝置的安全直流成分電流監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測6 kV XLPE電纜交流擊穿電壓與

12、電纜交流擊穿電壓與直流分量的關(guān)系直流分量的關(guān)系判斷規(guī)則判斷規(guī)則 直流成分電流直流成分電流 小于小于1 nA 絕緣良好絕緣良好 大于大于100 nA 絕緣不良絕緣不良 介于兩者間介于兩者間 加強(qiáng)監(jiān)測加強(qiáng)監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測護(hù)層與地之間有化學(xué)電勢護(hù)層與地之間有化學(xué)電勢Es直流成分電流監(jiān)測直流成分電流監(jiān)測 護(hù)層與電纜絕緣護(hù)層的絕緣電阻下降護(hù)層與電纜絕緣護(hù)層的絕緣電阻下降 M中將流過雜散電流中將流過雜散電流 通常通常Es不超過不超過 0.5 V 當(dāng)護(hù)層絕緣電阻小于當(dāng)護(hù)層絕緣電阻小于200 500 M 雜散電流將影響診斷的可靠性雜散電流將影響診斷的可靠性直流法直流法 直流直流疊加疊加法法

13、 借助電抗器借助電抗器將直流電壓在線疊加于電將直流電壓在線疊加于電纜絕緣測量纜絕緣測量直流直流疊加電流。疊加電流。 防止影響防止影響GPT二次輸出電壓二次輸出電壓 直流電壓不能很高，約直流電壓不能很高，約10 50 V 直流電壓不高直流電壓不高 電纜絕緣處于交流高壓作用下電纜絕緣處于交流高壓作用下 真實(shí)反映絕緣的實(shí)際狀況真實(shí)反映絕緣的實(shí)際狀況直流直流疊加疊加法法 6 kV XLPE電纜電纜 直流疊加電流直流疊加電流 與與 水樹長度水樹長度 的關(guān)系的關(guān)系直流直流疊加疊加法法 保證安全保證安全 L、C 調(diào)諧于調(diào)諧于50 Hz 雜散電流雜散電流Es的影響的影響 正、反向正、反向 疊加直流疊加直流 電

14、壓消除電壓消除直流直流疊加疊加法法判斷規(guī)則判斷規(guī)則 測得絕緣電阻測得絕緣電阻 大于大于1000 M 絕緣良好絕緣良好 小于小于10 M 絕緣不良絕緣不良 介于兩者間介于兩者間 加強(qiáng)監(jiān)測加強(qiáng)監(jiān)測試驗(yàn)證明：用直流疊加法測得的絕緣電阻與停試驗(yàn)證明：用直流疊加法測得的絕緣電阻與停電后加直流高壓時(shí)的測試結(jié)果很相近。電后加直流高壓時(shí)的測試結(jié)果很相近。直流直流疊加疊加法法直流法直流法 直流直流電橋電橋法法 測量電纜絕緣電阻的電橋接線測量電纜絕緣電阻的電橋接線 電橋平衡電橋平衡 Rx = (E1-V4) R2 / V4 設(shè)設(shè)E1為為20 V， V4為為1 mV，R2為為50 M Rx最大可測到最大可測到100

15、 000 M 防止直流電壓對防止直流電壓對GPT的有害影響的有害影響直流直流電橋電橋法法 Es影響的消除影響的消除 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R4及及E0 V0指示為零指示為零 其他設(shè)備的絕緣電阻與其他設(shè)備的絕緣電阻與R3并聯(lián)并聯(lián) R3之值并不參與計(jì)算之值并不參與計(jì)算 其他設(shè)備的絕緣電阻不影響測量結(jié)果其他設(shè)備的絕緣電阻不影響測量結(jié)果直流直流電橋電橋法法 加于電纜的電壓信號加于電纜的電壓信號(通過電壓互感器取出通過電壓互感器取出) 流過絕緣的電流信號流過絕緣的電流信號(通過電流互感器取出通過電流互感器取出) 通過數(shù)字化測量裝置通過數(shù)字化測量裝置 電纜絕緣的電纜絕緣的tg 工頻工頻法法 介損介損因數(shù)法因數(shù)法什么是介

16、質(zhì)損耗角什么是介質(zhì)損耗角 ( tan ) ?) ? time/sec010電壓電壓電流電流 = 介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角 tan d = 有功功率有功功率 無功功率無功功率CRCURU 122 水樹的簡化等效電路水樹的簡化等效電路w tw tR1C1R2C2 0,0010,010,11100,0010,010,11101001000W.C.= 0.18%W.C.= 1.52%W.C.= 2.12%W.C.= 2.60%W.C.= 3.51%Tan Frequency HzPaper with different moisture contentsTemperature ca. 22C50 Hz60

17、 Hz受潮對受潮對tan 的影響的影響0,0010,010,11100,0010,010,1110100100020 oC40 oC60 oC80 oCTan Frequency HzDry paper ( 0.5%) at different temperatures50 Hz60 Hz溫度對溫度對tan 的影響的影響 6 kV XLPE電纜交流擊穿電壓電纜交流擊穿電壓與在線測得與在線測得 tg 間的關(guān)系間的關(guān)系 統(tǒng)計(jì)分析表明統(tǒng)計(jì)分析表明 tg 大于大于1% 絕緣不良絕緣不良 如果滿足以下條件，電纜狀態(tài)正常如果滿足以下條件，電纜狀態(tài)正常 : :tan (2 U0) 1.2 andtan (2

18、 Uo) - tan (Uo) 0.6 如果發(fā)生以下情況，則如果發(fā)生以下情況，則電纜處于故障狀態(tài)電纜處于故障狀態(tài) ( (須立即更換）須立即更換） : : tan (2 Uo) 2.2 ortan (2 Uo) - tan (Uo) 1.0 對于對于 XLPE 電纜這一標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。電纜這一標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。 工頻工頻法法 局部放電法局部放電法 試驗(yàn)分析證明試驗(yàn)分析證明 絕緣中的電樹枝達(dá)到絕緣中的電樹枝達(dá)到0.5 mm時(shí)時(shí) 局部放電量約局部放電量約100 pC 由由 -q、 -n、q-n、或、或 -q-n譜圖譜圖 判斷電纜狀態(tài)判斷電纜狀態(tài) 放電相位，放電相位，q 放電量，放電量，n 重復(fù)率重

19、復(fù)率 偏斜度偏斜度s 在在4個(gè)象限中個(gè)象限中 的分布的分布 預(yù)測樹枝的預(yù)測樹枝的 延伸發(fā)展情況延伸發(fā)展情況 P點(diǎn)進(jìn)入第點(diǎn)進(jìn)入第3象限象限 絕緣進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)絕緣進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài) 水樹水樹 流經(jīng)電纜絕緣流經(jīng)電纜絕緣 的電流也含有的電流也含有 低頻成分低頻成分 根據(jù)頻譜分析根據(jù)頻譜分析 頻率在頻率在10 Hz , 特別在特別在3 Hz以下以下.低頻法低頻法 低頻成分法低頻成分法 在電纜接地線中串接入測量裝置在電纜接地線中串接入測量裝置 由測得的低頻電流診斷絕緣由測得的低頻電流診斷絕緣 低頻電流也是納安級低頻電流也是納安級 對測量裝置要求較高對測量裝置要求較高低頻低頻法法 低頻低頻疊加疊加法法 避免直流微電流測量上的困難避免直流微電流測量上的困難 將將7.5 Hz、20 V的低頻電壓的低頻電壓 在線疊加于電纜在線疊加于電纜 在電纜接地線中串接入測量裝置在電纜接地線中串接入測量裝置 絕緣